圖案化多材料磁性水凝膠致動器的4D打印技術(shù)介紹_abio生物試劑品牌網(wǎng)
| 本文介紹了一種可用于多材料直接墨水打印（4D 打印）軟致動器的新型可打印磁性水凝膠，其由藻酸鹽、甲基纖維素和聚丙烯酸穩(wěn)定的四氧化三鐵磁性納米顆粒（MNPs）組成，含 0%、10%、20% MNPs 的三種墨水可打印出管、立方體、懸臂等3D 物體。該磁性水凝膠具有高結(jié)構(gòu)完整性、高孔隙率、無細(xì)胞毒性、良好機(jī)械穩(wěn)定性和獨(dú)特磁響應(yīng)性，通過可編程圖案化可形成宏觀各向異性磁性材料，在磁場下能實(shí)現(xiàn)滾動、跳躍、彎曲等不同運(yùn)動，其生物相容性和功能性有望滿足未來軟機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。 |
一、研究背景與目標(biāo)
·現(xiàn)狀：刺激響應(yīng)水凝膠在電子設(shè)備、傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)水凝膠致動依賴水環(huán)境且多為單一材料；磁響應(yīng)材料中含釹顆粒和彈性體的非生物相容性問題突出。
·目標(biāo)：開發(fā)具生物相容性的磁性水凝膠，通過多材料 4D 打印制備軟致動器，實(shí)現(xiàn)空氣中無接觸磁控。
二、材料制備與打印方法
1.磁性納米顆粒（MNPs）合成
·采用共沉淀法，F(xiàn)e2?/Fe3?摩爾比 1/2，80℃氮?dú)夥諊路磻?yīng)，加入 PAA 防團(tuán)聚，透析除雜后得 Fe?O? MNPs。
·表征：XRD 證實(shí)為正交晶系 Fe?O?；FTIR 顯示 PAA 與 MNPs 結(jié)合；HRTEM 顯示球形及六邊形納米板，粒徑約 20nm，飽和磁化強(qiáng)度 60emu/g。
2.墨水制備
·基于 ALG/MC（重量比 1/1），制備含 0%（P0）、10%（P10）、20%（P20）MNPs 的三種墨水，pH 分別為～6.0、~6.3。
·流變學(xué)：具剪切稀化行為，G'>G"，含 MNPs 墨水屈服應(yīng)力降低（0%:1380Pa，10%:930Pa，20%:630Pa）。
3.4D 打印過程
·設(shè)備：BioX 3D 打印機(jī)，25G 噴嘴（內(nèi)徑 250μm）。
·條件：壓力 115-130kPa，速度 5mm/s，打印后用 0.5M CaCl?交聯(lián) 24h，可打印立方體、懸臂、管等結(jié)構(gòu)。
圖1.制造磁性梯度材料的構(gòu)想。(1)使用含有PAA穩(wěn)定磁性納米顆粒的磁流體，用于(2)制備磁性油墨，其磁流體濃度分別為0%、10%和20%(重量/體積比);(3)磁性材料的多元材料3D打印;(4)多元材料圖案化水凝膠的磁性運(yùn)動機(jī)制(a-滾動、b-跳躍、c-彎曲)。
圖2.磁性納米顆粒的特性。(1)PAA-穩(wěn)定MNPs的XRD圖諾，確認(rèn)樣品中存在正方晶系的Fe304。(2)PAA-MNPS的ATR-FTIR光諾顯示與穩(wěn)定劑對應(yīng)的峰(a2-1709cm-1，a3-1401cm-1，a4-1241cm-1)，納米顆拉的峰(c-548cm-1)，以及兩者之間的相互作用峰(b-1549 cm-1)。(3)PAA-穩(wěn)定MNP的HRTEM圖像顯示，在低倍率下觀察時(shí)呈球形。在高倍率下觀察時(shí)，圖像顯示出六邊形納米板的特征，這是鐵氧化物納米結(jié)構(gòu)(Fe304)的典型特征
三、水凝膠性能表征
1.生物相容性
·L929 成纖維細(xì)胞培養(yǎng) 24h，P0 存活率 97.6±7.5%，磁性水凝膠存活率 > 85%，無細(xì)胞毒性。
2.結(jié)構(gòu)與孔隙率
·SEM 顯示 MNPs 均勻分散，形成 4-16μm 孔徑的多孔結(jié)構(gòu)，MNPs 不影響孔徑但使表面粗糙。
3.機(jī)械性能
四、磁響應(yīng)致動行為
1.懸臂彎曲
1.P10 彎曲角 30.4±2.5°，P20 達(dá) 45.0±1.6°；梯度結(jié)構(gòu)（PG）依磁場方向不同，PG20（高 MNP 側(cè)對磁）彎曲角 42.4±4.0°，PG0（低 MNP 側(cè)對磁）為 21.8±3.8°。
2.立方體跳躍
1.P20 跳 8.0±1.0mm，P10 跳 3.0±1.0mm；梯度結(jié)構(gòu)（PG）可旋轉(zhuǎn)跳躍，黑側(cè)（高 MNP）跳 6.3±0.6mm，白側(cè)幾乎不跳。
3.管（輪）滾動
1.非對稱圖案管可圓周運(yùn)動（半徑～10cm），對稱圖案管可直線運(yùn)貨～50cm，甚至爬坡 10°。
圖3.(1)磁性分級水凝膠立方體的多材料3D打印;(2)通過直接打印，使用三種具有不同磁性含量的油墨，以增材方式組裝，從而形成3D納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu);(3)單材料和多材料水凝膠結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計(jì)(左側(cè))和打印品(右側(cè))。標(biāo)尺對應(yīng)于1厘米。
五、結(jié)論與展望
·成果：通過多材料 4D 打印制備了具宏觀各向異性的磁性水凝膠致動器，實(shí)現(xiàn)空氣中磁控彎曲、跳躍、滾動，生物相容且機(jī)械穩(wěn)定。
·前景：為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（如微創(chuàng)手術(shù)、藥物輸送）的軟機(jī)器人提供新方案，圖案化設(shè)計(jì)可拓展更多功能應(yīng)用。
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